【正文】 instream technology to DC motor control ,and access to a wide range of applications.The system used STC89C52 microcontroller as the system39。 學(xué)校代碼： 11059 學(xué) 號(hào)：0905074010Hefei University 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計(jì) ）BACHELOR DISSERTATION 論文題目： 基于單片機(jī)的直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng) 學(xué)位類(lèi)別： 工 學(xué) 學(xué) 士 學(xué)科專(zhuān)業(yè)： 自 動(dòng) 化 作者姓名： 馬 明 全 導(dǎo)師姓名： 臺(tái) 德 藝 完成時(shí)間： 2022 年 5 月 25 日 單片機(jī)控制的 PWM 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 文 摘 要脈 寬 調(diào) 制 （ PWM） 具 有 調(diào) 速 精 度 高 ， 響 應(yīng) 速 度 快 ， 調(diào) 速 范 圍 寬 和 損 耗 低 的 特 點(diǎn) ，逐 漸 成 為 直 流 電 機(jī) 控 制 的 主 流 技 術(shù) ， 并 獲 得 了 廣 泛 應(yīng) 用 。關(guān)鍵詞: 直流電機(jī)。 STC89C52。近年來(lái)，電氣傳動(dòng)的 PWM 控制技術(shù)已成為電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)的熱點(diǎn)之一。電機(jī)調(diào)速性能對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著決定性的影響。為了滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對(duì)直流電機(jī)提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代科技的要求，通過(guò) PWM 方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法就應(yīng)運(yùn)而生。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀控制直流電機(jī)調(diào)速大致有下面幾種方法：第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電機(jī)供電，通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。在微機(jī)直流電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用中，傾向于數(shù)字化、智能化的思路，極大地促進(jìn)了電氣傳動(dòng)的發(fā)展。目前我國(guó)的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，已廣泛應(yīng)用于我國(guó)的各個(gè)部門(mén)。但由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，也給出了國(guó)產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間，所以國(guó)內(nèi)許多科研單位、大專(zhuān)院校和廠家也都在開(kāi)發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置 [1]。變頻裝置的數(shù)字化技術(shù)是從 20 世紀(jì) 80年代中期開(kāi)始逐步發(fā)展到 16 位、32 位微處理器，目前普遍采用 DSP[2]。在大功率裝置方面，除盡量采用優(yōu)化 PWM 模式外，多電平逆變器也越來(lái)越受到人們的重視，這樣開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題將轉(zhuǎn)化為多管串聯(lián)后的均壓?jiǎn)栴} [2]。 本章小結(jié)本章節(jié)主要分析了直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)研究的背景和研究的目的及意義；并且介紹了直流電機(jī)控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展情況；PWM 變頻調(diào)速的發(fā)展前景；以及本課題的主要研究?jī)?nèi)容及預(yù)期目標(biāo)做了簡(jiǎn)要說(shuō)明。 系統(tǒng)分析與選擇根據(jù)題目要求系統(tǒng)模塊可以劃分為：中央處理器模塊、顯示電路模塊、控制模塊、電機(jī)測(cè)速模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。單片機(jī)不僅具有很好算術(shù)運(yùn)算能力，而且編程時(shí)靈活、自由度大。 測(cè)速傳感器的分析與選擇對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，依據(jù)當(dāng)今技術(shù)及本設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，大致有以下三種可以執(zhí)行的測(cè)量方式。方案三：采用紅外光電耦合器測(cè)速，發(fā)射管發(fā)射信號(hào)，接收管接受到信號(hào)時(shí)輸出脈沖。方案三中具體的記數(shù)方法是通過(guò)單片機(jī)記數(shù)時(shí)間 S（秒）內(nèi)的脈沖數(shù) N，從而計(jì)算得到每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=N/S60。1)/S60N/S60=60（轉(zhuǎn)/分），誤差計(jì)算公式表明，增大記數(shù)時(shí)間可以提高測(cè)量精度，但這樣做卻增大了速度采樣周期，會(huì)降低系統(tǒng)控制靈敏度。 PWM 實(shí)現(xiàn)方案論證(1)PWM 調(diào)速工作方式方案一：雙極性工作制。由于單極性工作制相較于雙極性工作制具有電流最大波動(dòng)小和電壓波中的交流成分小的優(yōu)點(diǎn)，所以我們本系統(tǒng)采用單極性工作制 [3]。方案二：采用定時(shí)器作為脈寬控制的定時(shí)方式，此方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，最大誤差只能達(dá)到幾個(gè)微秒，綜合考慮我們采用方案二 [4]。因此可以依據(jù)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的靈活編碼。這種形式的鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)，能夠有效的提高單片機(jī)系統(tǒng)中 I/O 的利用率，行列式鍵盤(pán)適用于按鍵輸入多的情況 [5]。 驅(qū)動(dòng)模塊的分析與選擇本設(shè)計(jì)的核心部分就是對(duì)小型直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行可逆的 PWM 調(diào)速控制。硬件電路組成框圖如圖 所示：ＳＴＣ ８９ Ｃ ５２單片機(jī)矩陣鍵盤(pán)輸入模塊ＬＣＤ顯示模塊ＰＷＭ 控制及驅(qū)動(dòng)電路模塊直流電機(jī)紅外測(cè)速模塊圖 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件本調(diào)速系統(tǒng)各模塊的功能分析如下：中央控制模塊：這部分電路的核心部件是 STC89C52 單片機(jī)，它的功能總得來(lái)說(shuō)分為三個(gè)方面，一、通過(guò)內(nèi)部程序設(shè)定出初始 PWM 信號(hào)，輸送給Ｈ橋式驅(qū)動(dòng)從而控制電機(jī)運(yùn)行；二、接受來(lái)自鍵盤(pán)和紅外光電接收管的信號(hào)再加以分析和處理；三、對(duì)處理的結(jié)果進(jìn)行輸出，如控制七段數(shù)碼管的顯示和點(diǎn)亮發(fā)光二極管。驅(qū)動(dòng)模塊：采用 H 橋式驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)半圈 OUT 端輸出一個(gè)上脈沖，然后用單片機(jī)在單位時(shí)間里面來(lái)采集上升源的個(gè)數(shù)，這樣就完成速度的采集。在本章最后完成了基于單片機(jī) PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成框圖設(shè)計(jì)。主要功能包括三個(gè)方面：接受外界信號(hào)、處理接受信號(hào)和輸出控制信號(hào)。下面介紹單片機(jī)的設(shè)計(jì)部分分析：（1）單片機(jī) STC89C52STC89C52 單片機(jī)是 MSC51 系列產(chǎn)品的升級(jí)版，有世界著名半導(dǎo)體公司ATMEL 在購(gòu)買(mǎi) MSC51 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢(shì)技術(shù)——閃存生產(chǎn)技術(shù)對(duì)舊技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，同時(shí)使用新的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。片內(nèi)資源有 4 組 I/O 控制端口、3 個(gè)定時(shí)器、8 個(gè)中斷、軟件設(shè)置低能耗模式和斷電保護(hù)。根據(jù)不同場(chǎng)合的要求，這款單片機(jī)提供了多種封裝，本次設(shè)計(jì)根據(jù)最小系統(tǒng)有時(shí)需要更換單片機(jī)的具體情況，使用雙列直插 DIP40 的封裝。所以本系統(tǒng)中選用手動(dòng)復(fù)位的方式。本系統(tǒng)選取 無(wú)源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2 引腳，并聯(lián) 2 個(gè) 20pF 陶瓷電容幫助起振。鑒于以上這些優(yōu)點(diǎn)和其適合于本設(shè)計(jì)的要求，故采用LM2940 作為整個(gè)系統(tǒng)的供電芯片。根據(jù)不同三極管對(duì)電流的導(dǎo)通情況，電流會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。其與單片機(jī)的接口電路如圖 所示。如圖 所示，在電機(jī)轉(zhuǎn)輪上安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)擋板，這樣，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，三級(jí)管（紅外接收頭）透光導(dǎo)通兩次，OUT 端輸出一個(gè)上脈沖，然后用單片機(jī)來(lái)計(jì)數(shù)單位時(shí)間上升沿的個(gè)數(shù)，這樣就完成了直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量 [9]。12864LCD 相較于其他液晶顯示設(shè)備具有硬件電路和顯示程序簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，且價(jià)格也略低于相同的模塊圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊 [10]。根據(jù)這個(gè)時(shí)序圖，就可以把寫(xiě)數(shù)據(jù)或者寫(xiě)命令寫(xiě)到 LCD12864 液晶的子程序。在這些程序中，以速度測(cè)量子程序和定時(shí)中斷子程序?yàn)楹诵摹１菊聦?duì)單片機(jī)控制的 PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的程序做具體分析。 鍵盤(pán)掃描子程序在第二章中我們已經(jīng)選擇了用矩陣鍵盤(pán)作為本系統(tǒng)的輸入控制模塊，由矩陣鍵盤(pán)十六個(gè)按鍵中的十個(gè)鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的設(shè)定，另外六個(gè)按鍵分別實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開(kāi)始、停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的六種控制。雖然這種抖動(dòng)只是毫秒級(jí)，但是計(jì)算機(jī)的處理速度是微秒級(jí)的，所以這種抖動(dòng)現(xiàn)象對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)影響還是很大的。軟件解決抖動(dòng)方法：如果檢測(cè)到 口為低電平時(shí)，先等待一段時(shí)間，即延時(shí) 10ms 或更長(zhǎng)時(shí)間，當(dāng) 口仍為低電平，那么即可認(rèn)為對(duì)應(yīng)的按鍵 S 被按下。處理完以后再繼續(xù)執(zhí)行主程序。圖 鍵盤(pán)子程序流程圖 PWM 信號(hào)發(fā)生程序本設(shè)計(jì)采用的 STC89C52 單片機(jī)用軟件方法來(lái)模擬輸出 PWM 波形，具體流程圖見(jiàn)下圖 。用軟件實(shí)現(xiàn) PWM 信號(hào)，常用兩種方法：一種是用定時(shí)器控制PWM 輸出，此種方法的死區(qū)時(shí)間最少占 5 個(gè)指令周期，分辨率比較低。在本設(shè)計(jì)中，把單片機(jī)每 50 個(gè)機(jī)器周期作為 PWM 波形的基本周期，采用定頻調(diào)寬的方法去改變 PWM的占空比。實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能的程序流程圖見(jiàn)圖。本系統(tǒng)中因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速基本停留在高速狀態(tài)，故本設(shè)計(jì)采用 M 法測(cè)速。T0 中斷的作用就是給定一個(gè)時(shí)間間隔 T，在 T 內(nèi)應(yīng)用INT0 中斷對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，時(shí)間到就送出 R0 的數(shù)值，并對(duì)其進(jìn)行清零。開(kāi)始后將 12864LCD 初始化，然后分別寫(xiě)入行地址和列地址，再輸入要顯示的內(nèi)容，便可以顯示出來(lái) [15]。第五章 系統(tǒng)調(diào)試與分析 軟件調(diào)試軟件的調(diào)試是是采用 Keil C51 軟件來(lái)調(diào)試程序的，Keil C51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。其中 UVision2 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中的工程(project)是由源文件、開(kāi)發(fā)工具選項(xiàng)以及編程說(shuō)明三部分組成的，編輯器和調(diào)試器包括源代碼編輯器、斷點(diǎn)設(shè)置、調(diào)試函數(shù)語(yǔ)言、變量和存儲(chǔ)器。(2) 用 C 語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言創(chuàng)建源程序。 仿真軟件調(diào)試仿真軟件的調(diào)試是采用 Proteus Professional 單片機(jī)仿真軟件界面，這個(gè)仿真軟件功能很強(qiáng)大，可以仿真各種各樣的運(yùn)作系統(tǒng)，仿真是建立在一種理想狀態(tài)下的運(yùn)行，在上面介紹的 keil 軟件中把源程序?qū)懞煤笊?hex 格式的導(dǎo)入仿真軟件中的微處理器就可以運(yùn)行了。加速時(shí)：圖 電機(jī)加速仿真圖從上面仿真圖可以看出當(dāng)加速鍵按下時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，同時(shí) LCD 液晶顯示屏上顯示的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)增大。 硬件調(diào)試該課題的硬件電路部分占了整個(gè)過(guò)程很大的比例。步驟是先焊接各個(gè)模塊，每個(gè)模塊焊接結(jié)束以后，再進(jìn)行模塊的單獨(dú)測(cè)試，以確保在整個(gè)系統(tǒng)能正常的工作。就這樣反復(fù)調(diào)試直至每個(gè)按鍵能點(diǎn)亮相應(yīng)二極管。（2）電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有明顯跳動(dòng)現(xiàn)象當(dāng)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)運(yùn)行很不平滑，經(jīng)過(guò)查找資料發(fā)現(xiàn)脈沖頻率對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率低連續(xù)性差，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)有明顯跳動(dòng)現(xiàn)象；脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之。系統(tǒng)的硬件、軟件獨(dú)調(diào)和仿真軟件調(diào)試是系統(tǒng)最后的步驟也是系統(tǒng)特別重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出的系統(tǒng)是否成功，功能是否完善只有在這里才能顯現(xiàn)出來(lái)。本設(shè)計(jì)采用紅外光電耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)速目的。因?yàn)闀r(shí)間緊急和個(gè)人水平有限，該設(shè)計(jì)仍然存在著很多不足，不是很完善，例如：程序中沒(méi)有對(duì)轉(zhuǎn)速實(shí)施 PID 調(diào)節(jié)，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速不能與設(shè)定轉(zhuǎn)速很好的相符，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度都有待提高。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，遇到過(guò)很多問(wèn)題，例如在寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文時(shí)，雖然在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中學(xué)習(xí)了很多知識(shí)，但是不知如何把這些知識(shí)進(jìn)行整合，然后寫(xiě)到論文里。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)工作的順利完成與大學(xué)四年中各位老師對(duì)我的教導(dǎo)和關(guān)懷也是密不可分。 馬明全2022 年 5 月于合肥學(xué)院附 錄附錄 A 系統(tǒng)原理圖Y4 Y12Y34CN87N65N43N21..0. C .Y1Y1 Y3Y2X4X3X2X1XTAL218XTAL119ALE301PSN29RST9P0./.6/47U1AT89C5112365489=7 +CON0ABCD1 2 43+7RD6/D8VS2D3CON4W5 D010 FS118FG1 1D21233D41455D61677RST9LCD1PG12864F23456781RP1RESPACK750%RP11kC130pfC230pf X1CRYSTALC310uf R110kQ2NPQ3NPQ5PN Q6PNQ7NPQ8NPR41k R51kR61k71k D11N914D21N914D31N914D41N914附錄 B 系統(tǒng)實(shí)物圖附錄 C 部分程序includedefine uint unsigned intdefine uchar unsigned charuchar pwm=75。a0。}void initclock() //時(shí)鐘初始化{T2MOD=0x00。TR2=1。TH1=(6553650000)/256。 //啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 1TH0=0X00。 //啟動(dòng)計(jì)數(shù)器器 0EA=1。 TL0=0X00。 RCAP2L=(6553650000)%256。 bai=jishu%1000/100。 while(1) { if(a=150) a=150。 P1_1=1。39。) a+=n。 dprintf(0,72,方向: 順時(shí)針)。 dprintf(0,72,方向: 逆時(shí)針)。 break。 jisuan()。RCAP2L=(6553650000)%256。